基于遥感和物联网技术的森林火灾协同监测体系建立

杨 敬，王 馗，吴 鑫

（1.桃江县林业局，湖南 桃江 413400； 2.云南省林业调查规划院，云南 昆明 650051；3.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

基于遥感和物联网技术的森林火灾协同监测体系建立

杨 敬1，王 馗2，吴 鑫3

（1.桃江县林业局，湖南 桃江 413400； 2.云南省林业调查规划院，云南 昆明 650051；3.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

针对我国森林火灾长期以来存在的监测不及时、不准确、林火监测方式独立、数据难以共享等诸多问题，本研究以物联网技术架构为基础，以“3S”技术为支撑，采用气象卫星热红外波段遥感数据解译与地面传感器热红外探测相结合的方法，初步研讨并建立了两位一体的森林火灾协同监测体系，实现数据共享与监测方式的协同，为森林火灾信息及时、准确的获取提供一种新的模式。

遥感；物联网技术；森林火灾；协同监测

我国地域辽阔，森林资源丰富，是一个森林火灾频发国家，森林防火形势十分严峻，森林火灾的及时有效监测是林业生态保护的重要内容。森林火灾一经发生，不仅多年造林护林的成果毁于一旦，对生态环境造成严重破坏，还会对国家与人民生命财产造成巨大损失［1-2］。由于山区森林面积较大，交通不便，再加上监测人员不足、经济条件较差等原因，采取普通的林火监测方法很难及时准确的把握林火的位置及发展动态，因而延误了最佳灭火时机。对于森林火灾的动态监测，国内外进行了很多的研究。现运用较多的主要是基于“3S”技术的林火监测，即林火发生后，根据卫星遥感监测信息得到林火发生的具体位置，然后组织扑火力量迅速赶至火场。物联网技术是近年来兴起的新型技术，被广泛的运用在公交车刷卡［3］、图书馆管理［4］、物流［5］、手机支付［6］等领域，对于国民经济和社会发展具有重要意义［7］。物联网简单来分析就是“物物相连的互联网”，将各种信息传感设备，如红外热像仪、无线传感器网络、RFID 装置等感知设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，使得协同各类感知平台，完成森林火灾致灾因子的协同监测成为可能［8-11］。基于物联网的林火监测可以通过无线传感网络系统及时且精准的发现火灾的孕灾环境及发生位置［12］，从而将火灾消灭在萌芽的状态，最大限度的保护森林的安全。

由于森林火灾发生后的环境因子会随着灾情的发展而出现动态的变化，目前任何一种先进的技术应用于林火监测都存在一定的局限性，无论是卫星还是无线传感器网络都无法独自担任林火监测的重任。因此，进行林业科技创新［13］，建设一个森林火灾协同监测体系，融合各类监测方式的优点，才能达到快速、稳定、有效的监测目标［14］。

1 森林火灾协同监测体系结构

森林火灾协同监测体系主要包括四个层：感知层、数据传输层、数据库和应用层。这几个层是在物联网基础体系结构的基础上进行补充与完善的，感知层主要是卫星及布设在林区的传感器对森林火灾的感知并获取信息，数据传输层则是将感知后得到的数据通过卫星载波信号和无线传感器网络对数据进行传输，数据库层主要是对传输过来的数据进行加工处理，提取与森林火灾相关的空间数据和属性数据，应用层是以提取到的空间数据和属性数据为基础，通过空间空间定位、及一些基础的通信组件将火情位置信息、火情属性信息、及火情分析情况及时定向的推送给森林资源管理者所携带的平板电脑、移动终端、PC 终端和笔记本电脑上。整个森林火灾协同监测体系结构融合了卫星和地面传感器两个平台提取的数据，从宏观层面上卫星大范围的对林区进行扫描，重点林区通过布设的林火传感器网络进行探测，天地协同，数据共享，大大的提高森林火灾的处理效率，实现早发现、早处理。

图1 森林火灾协同监测体系结构Fig.1 Forest fire monitoring system

2 森林火灾协同监测体系设计

2.1 感知层

感知层是物联网层级结构中与互联网有重要区别的一个层级，主要涉及到 RFID 技术即不发生物理接触即可识别芯片信息的一种技术、遥感技术、信号控制技术即对接收与发送的信号进行调制与解调的技术等技术手段。感知层主要是对数据进行探测与感知，各类不同的传感器通过火灾敏感指标来区别森林火灾及普通的环境因子，实现对森林火灾信息实时动态的获取和监测，在火灾发生的第一时间获取第一手的资料和数据，其中传感器主要负责探测，而获取的信息则在进行信号控制后通过无线传感网络进行传输。在本研究中，感知设备主要包括卫星上搭载的传感器以及安置在林区内的专门收集火灾敏感信息的传感器系统设备。

2.2 数据传输层

数据传输层是物联网技术结构的感知层和数据库层的传输媒介，是根据互联网、3G4G 网、卫星通信等通信网络进行融合后发展起来的，在通信层面上解决各类传感器数据的高效存储、精准处理、实时传输。在本研究中，数据传输层主要是对卫星信号和传感器探测到的数据进行实时传输，由于卫星信号在传播的过程中会受到地面无线电的干扰，所以在选址卫星地面站及对地面无线电分析上需要有比较准确的评估，而传感器在林区内湿度大、树林密集，需要选取合适的频率传输范围，并对芯片进行有效的保护，以保证实时准确的获取信息，实现对信息的有效传输，并通过网络服务器实现不同传感器来源的森林火情信息协同与共享。

2.3 数据库层

数据库层主要是对传感器感知到的数据进行加工和处理，获取与森林火灾相关的信息，并对火灾数据进行分发与推送，为火点信息的存储、处理与共享提供平台支撑，为火情信息的有效利用提供保障。森林火灾协同监测体系融合了卫星遥感监测平台数据和传感器网络数据，最终将提取后的林火信息数据存储在数据库内进行融合与共享，从而实现真正意义上的协同监测。数据库层设置森林火灾协同监测中心管理平台以面向用户的方式提供用户所需要的信息服务。

2.4 应用层

应用层主要是将处理后的信息进行各个行业的具体应用，在森林火灾协同监测方面，应用层作为整个体系的末端，主要是为林业管理者提供具体的服务，通过平板电脑、手机、PC 终端、笔记本电脑等不同类型的终端对火情位置信息、火情属性信息、火情分析信息进行及时准确的获取，为森林防火指挥者和一线人员提供详尽的信息服务，以便更好的掌握火场的态势，更好的作出决策。森林火灾协同监测平台融合卫星监测和传感器监测，从大处着眼、小处着手，宏观的把控全局的同时又获取到了每一个细节上的信息。用户可以通过订阅平台进行信息服务的订阅，如用户只对桃江县感兴趣，即可只订阅桃江县地区的信息，在卫星过境时火情发生的时候，卫星会将获取到的热点信息推送给订阅的用户，传感器也会将探测到的火场态势信息推送给订阅的用户，真正实现信息的协同与共享，从而为更好的森林资源保护作出贡献。

3 森林火灾协同监测体系应用流程

3.1 卫星监测应用流程

3.1.1 卫星数据介绍与预处理 MODIS 是搭载在TERA 和 AQUA 卫星上的传感器［15］，是美国地球观测系统（EOS）计划中用于观测全球生物和物理过程的重要仪器，它具有 36 个中等分辨率水平 （0.25 um ～ 1 um）的光谱波段，实现从单系列极轨空间平台上对太阳辐射、大气、海洋和陆地进行综合观测，获取陆地和海洋温度、初级生产率、陆地表面覆盖、云、气溶胶、水汽、植被状况和火情等目标的信息。其中 Modis 热红外数据的波段分布特征如表 1 所示：

表1 MODIS热红外数据的波段分布特征Tab.1 Band distribution characteristics of MODIS thermal infrared data

辐射定标：一般来说，就是将图像的数字量化值（DN）转化为辐射亮度值、反射率、表面温度等物理量的处理过程。辐射定标参数一般存放在元数据文件中，ENVI 中的通用辐射定标工具能自动从元数据文件中读取参数，从而完成辐射定标。

几何校正：一般应用 MODIS Swath Tool 进行校正，将卫星载波数据经过初步处理后得到的L1B 数据经过最近邻采样，并设置投影类型，转化为具有地理坐标系的数据。

影像裁剪：将处理好的 MODIS 数据导入到ArcGIS 软件中，导入益阳市矢量边界数据，对影像进行裁剪，得到益阳市地图的 MODIS 数据。

3.1.2 火点信息提取 对益阳市地区 MODIS 数据进行处理，通过虑云处理得到无云层干扰的MODIS 数据，在此基础上获取下垫面植被情况，排除工厂及火烧秸秆对森林火灾获取的影响，最后获取 MODIS 数据中的地表温度值，通过普朗克公式转换为温度值，从而根据温度的高低获取林区是否发生火灾。

3.1.3 火点信息标准化与入库 火点信息获取后，获取火灾发生位置处火点的经度、纬度、温度、植被情况、监测到的时间信息插入空间数据库内进行保存。

3.1.4 火点信息分发与共享 益阳市辖区总共有桃江县、安化县、资阳区、赫山区、沅江市、南县、大通湖区，当不同的地方发生火灾，相应的管理部门一般只对自己辖区内的进行关注，所以当收到火情后，应该像快递员一样定点分发到相应的人手中，以及时采取措施应对，所以就应该通过分发器将不同的信息分发给不同的人，从而实现数据的准确推送。火点信息存储在数据库内，可以根据不同的权限进行增删改查，从而实现数据的充分共享。

3.2 传感器监测应用流程

3.2.1 传感器标识与定位 对重点保护林区、森林公园、文物古迹地、革命圣地等重要林场林区根据林区情况安放传感器红外识别设备，以重点地区全覆盖，非重点地区有效探测为安放原则，配合山顶瞭望塔等对林区内的热红外信息进行探测，每一台传感器上配备红外热传感器和网络设备，每一台设备都有唯一的标识码且设备安放位置都通过 GPS 获取准确地理坐标，存储在数据库中。

3.2.2 红外高温点识别 当传感器探测到热点信息的时候，利用获得的红外信息计算出具体的温度值，并根据火场温度情况，将温度阈值超过80 ℃ 时判断高温点进行报警。

3.2.3 火点信息传输 将各个位置的传感器通过无线网络进行连接，由于传感器在识别红外的时候会将大量的信息识别进来，林区内的无线传感器网络带宽有限，为了保证火情信息的及时、准确传播，需要通过技术手段对无关信息进行筛选，对火情信息进行压缩以后再传输给服务器。

3.2.4 火灾属性数据应用与信息共享 服务器接收到传感器传输过来的信息后，开始对信息进行解压并将解压出来的设备的标识代码、经度、纬度、温度、监测时间信息插入数据库内并进行报警，提醒火情发生，以便管理部门及时采取应对措施。数据库内的数据可以根据不同的权限对森林火灾管理者共享，以便于灾害发生时准确把握灾情的发展情况以及后期数据的整理和研究科学。

3.3 协同监测体系应用流程

3.3.1 数据格式标准化 为了协同基于物联网技术的传感器网络火情监测与卫星火情监测数据，将提取出来的火情信息按照表 2 的结构进行数据标准化，以达到对获取到的火情数据进行协同管理的目标。

表2 火情信息表结构Tab.2 Fire information table structure

图2 森林火灾协同监测数据共享平台Fig.2 Forest fire monitoring data sharing platform

3.3.2 数据共享平台 多平台，多来源的，多层次的，天地一体化的火情数据通过数据标准化后，统一在一个数据库中集中管理，实现火情数据的融合与共享，为林业管理者更好、更快、更准的掌握火情信息提供服务。如图 2 所示，获得了卫星遥感手段获取的部分火点信息，得到了益阳市部分地区发生火灾情况，由于传感器只布设在重点位置，没有进行全区域的覆盖，如果传感器附近发生火情同样将相关属性信息插入数据库进行数据共享。

3.3.3 数据分发与推送平台 为了更好的将提取到的火情信息第一时间发送到林业管理者手中，必须设定一套完整的数据分发与推送机制，使得火情数据不仅在森林防火指挥大厅可以看到，在一线指挥扑救的指挥人员也要能够通过移动终端及时获取火情的动态，位置状况，上下联动，天地协同，更加及时、准确、快速的把握火情，做出有针对性的决策，从而将火灾发生的损失降低到最小。

图3 森林火灾数据分发与推送平台Fig.3 Forest fire data distribution and push platform

获取到的火灾图形和属性信息如图 3 所示，火情发生时将火点信息定向推送给相关一线管理人员手持终端，底图加载高分辨率遥感影像，将地图放大时可以直观的获得火灾发生处的详细地理信息，从而快速的将火灾发生地落实到具体的山头地块。

4 讨论

遥感能够从宏观层面大范围的对火灾进行撒网式的动态监测，但是对火场具体的情况分析比较困难，而利用物联网技术能够对林区内各类环境因子和对象进行动态实时的监测，通过对各类信息的处理，获得更加准确的火情信息，实现对森林火灾的天地一体化协同监测体系，从而更好的保护森林资源和生态环境。

近年来，随着高新科技的发展，遥感、物联网在林业方面的应用日益成熟，但是物联网的网络结构、软硬件控制都比较复杂，而利用遥感进行火灾监测时由于云层的反射、遮挡等问题难以对同一个地点进行全天候的实时有效的监测，在这些方面都需要进行更加深入的探索。

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（文字编校：杨 骏）

Study on forest fire cooperative monitoring system based on remote sensing and internet of things technology

YANG Jing1，WANG Kui2，WU Xin3
（1.Forestry Bureau of Taojiang County，Yiyang 413400，China；2.Yunnan Institute of Forest Inventory and Planning，Kunming 650051，China；3.Central South University of Forestry & Technology，Changsha 410004，China）

According to the existing problems in monitoring of forest fire in China，such as not timely，accurate，independent，forest fire monitoring data can not be shared and so on.The research was based on the IOT architecture and 3S technology，and combined the method of airborne meteorological satellite thermal infrared remote sensing data interpretation and ground sensor thermal infrared detection.The two integrated collaborative forest fire mo nitoring system were establishment，and realize data sharing and collaborative monitoring，to provide a new model for forest fire information timely and accurately.

remote sensing；internet of things technology；forest fire；cooperative monitoring

TP 7

A

1003-5710（2017）02-0074-05

10.3969/j.issn.1003-5710.2017.02.015

2017-01-22

湖南省教育厅科学研究优秀青年基金（20172308）

杨 敬（1972-），男，湖南省桃江人，工程师，主要从事林业经营、林业调查规划设计方面的工作；E-mail：411638088@qq.com

吴 鑫，硕士；E-mail：fire007007@163.com